מימן

מימן (Hydrogenium; מיוונית: ὕδωρ = מים, γίγνομαι = יוצר) הוא יסוד כימי גזי שסמלו הכימי H ומספרו האטומי 1. מולקולת המימן מורכבת משני אטומי מימן הקשורים ביניהם בקשר קוולנטי יחיד (H-H) ומסומלת כ-H₂.

מימן

הליום - מימן -
H Li       1 H                                                                                                                                                                                                                                                                                           הטבלה המחזורית
נתונים בסיסיים
מספר אטומי	1
סמל כימי	H
סדרה כימית	אל-מתכות
מראה
חסר צבע
תכונות אטומיות
משקל אטומי	1.00794 u
רדיוס ואן דר ואלס	120 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה	1
קונפיגורציה אלקטרונית	1s¹
דרגות חמצון	−1, 1, 0
תכונות פיזיקליות
צפיפות	0.089870 גרם/סמ"ק
מצב צבירה בטמפ' החדר	גז
נקודת רתיחה	20.268K (-252.87°C)
נקודת התכה	14.025K (-259.14°C)
לחץ אדים	209Pa ב-23K
מהירות הקול	1,270 מטר לשנייה ב-298.15K
שונות
אלקטרושליליות	2.2
קיבול חום סגולי	14,304 J/(kg·K)
מוליכות חום	0.1815 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה	1,312 kJ/mol
היסטוריה
מגלה	הנרי קוונדיש
תאריך גילוי	1766
נקרא על שם	מים

בדיקת ספקטרום מימן

תכונות

בטמפרטורת החדר ובלחץ של אטמוספירה המימן הוא גז חסר צבע, אל-מתכתי. המימן יכול להגיב כמעט עם כל היסודות. מימן הוא היסוד הקל ביותר. בתנאי טמפרטורה ולחץ רגילים למימן טמפרטורת היתוך של 259.2°C- וטמפרטורת רתיחה של 252.8°C-. בלחץ כבד ביותר, כמו הלחץ המצוי בענק גז, מולקולת המימן מאבדת את זהותה והמימן הופך למתכת נוזלית. הנקודה הקריטית שלו היא בלחץ של 12.8 אטמוספירות ובטמפרטורה של 239.9- מעלות צלזיוס.

המימן הוא גז דליק ביותר, אך מתלקח בטמפרטורה גבוהה מאוד כ-535° (נקודת התלקחות). המימן מגיב בתגובה אקסותרמית מאד עם כלור ועם פלואור.

שימושים

• גז המימן משמש כדלק לתחבורה, למשל להנעת טילים לחלל. מימן נוזלי משמש כדלק קריוגני (Cryogenic fuel). נאס"א עושה שימוש בדלק זה במנועים מטיפוס RL-10 בתוכנית קונסטליישן. חוזים שאם יפותחו בעתיד תהליכי הפקה זולים שלו, הוא יהווה תחליף נקי לנפט ומוצריו כדלק לכלי רכב.
• גז המימן יכול לשמש כמקור אנרגיה ירוק המפיק חשמל על ידי טכנולוגיה הנקראת "תא דלק מימני". תא הדלק המימני פועל בעזרת מימן וחמצן. שמים את שני היסודות בתא אלקטרו-כימי אשר בו מתרחשת תגובת חמצון-חיזור ביניהם. כתוצאה מכך נוצר זרם חשמלי אשר ניתן לנצל אותו לכל שימוש. תוצר התגובה הוא מים. מימן נחשב באופן כללי למקור אנרגיה פחות יעיל ומשמעותית יקר בהשוואה למקורות אנרגיה מקובלים. בעשור השני של המאה ה-21 חלו מספר פריצות דרך ששיפרו משמעותית את יעילותו ומחירו, אולם עד סוף העשור טרם השתלב המימן כמקור אנרגיה נפוץ.
• בעבר השתמשו במימן למילוי ספינות אוויר ובלונים כיוון שהוא קל מהאוויר. בשנת 1937 ניצת המימן שבספינת האוויר הינדנבורג, ובשריפה נהרגו 36 בני אדם. בעקבות זאת הופסק השימוש במימן ובמקומו נעשה שימוש בהליום. אסון זה הביא לקיצן של הטיסות המסחריות בספינות אוויר.
• גז המימן משמש לייצור מוצרי תעשייה שונים, כמו אמוניה, כוהל וחומצת מלח.
• דאוטריום משמש בשימושים גרעיניים להאטת נייטרונים. בדאוטריום משתמשים בכימיה ובביולוגיה בניסויים על השפעות איזוטופים.
• טריטיום מיוצר בכורים גרעיניים ובעזרתו בונים פצצות מימן.

מבנה

מבנה אטומי

אטום המימן שונה משאר האטומים בטבלה המחזורית בכך שבאיזוטופ הנפוץ שלו הגרעין שלו אינו מכיל נייטרון, אלא פרוטון בלבד. אטום מימן נייטרלי (שאינו מיונן) מכיל, על כן, פרוטון ואלקטרון – ותו לא.

נוסף ל־¹H, קיימים שני איזוטופים נפוצים פחות של מימן: דאוטריום (מסומן ²H, או D) וטריטיום (מסומן ³H, או T), בעלי נייטרון אחד ושני נייטרונים בהתאמה.

איזוטופים של מימן

סמל	(p)‏Z	(n)‏N	מסה איזוטופית (u)	זמן מחצית חיים	ספין גרעיני	שכיחות האיזוטופ (כשבר מולרי מהיסוד)	טווח השינוי הטבעי (כשבר מולרי מהיסוד)
	התרגשות אנרגטית
	הערות
1H (פרוטיום)	‏1	0	1.00782503207(10)	יציב [>a‏ 1023‏×2.8]	1/2+	0.999885(70)	0.999816–0.999974
2H		1	2.0141017778(4)	יציב	1+	0.000115(70)	0.000026–0.000184
3H		2	3.0160492777(25)	a‏ (2)12.32	1/2+
		דועך ל-3He באמצעות קרינת בטא.
4H		3	4.02781(11)	[MeV‏ (9)4.6] s‏ 10-22‏×(10)1.39	2-
		מאוד לא יציב, דועך באמצעות פליטת נייטרון.
5H		4	5.03531(11)	? s‏ 10-22‏×9.1<	(1/2+)
		מאוד לא יציב, דועך באמצעות פליטת נייטרון.
6H		5	6.04494(28)	[MeV‏ (4)1.6] s‏ 10-22‏×(70)2.90	2-#
		דועך באמצעות פליטת נייטרון משולשת.
7H		6	7.05275(108)#	[MeV‏ #(5)20] s‏ 10-23#‏×(6)2.3	1/2+#

מבנה מולקולרי

מולקולת המימן מורכבת באופן רגיל משני אטומי מימן הקשורים ביניהם בקשר שתופי יחיד (H-H) ומסומלת כ-H₂. בלחץ נמוך ביותר, כמו הלחץ הנמצא בחלל, המימן נוטה להתקיים כמולקולה בעלת אטום בודד.

המימן הוא מרכיב במולקולת המים ובכל תרכובת אורגנית.

יון מימן חיובי (הידרון) הוא בדרך כלל פרוטון בודד, למעט יונים של איזוטופים נדירים יותר של מימן. נוכחות של יוני מימן בתמיסה מימית נקראת חומציות; חומצה היא חומר הנוטה לתרום יוני מימן לחומרים אחרים. יון שלילי של מימן קרוי הידריד, והוא בסיס רב עוצמה.

היסטוריה

המימן זוהה במאה ה-17 על ידי רוברט בויל. הנרי קוונדיש זיהה אותו שוב ב-1766 וחקר את תכונותיו. את שמו המדעי "הידרוגניום" נתן לו לבואזיה ב-1783. פירוש השם הוא יוצר-מים ומכאן גם נגזר שמו העברי.

צורה בטבע

מימן הוא היסוד הנפוץ ביותר ביקום. מרבית החומר הקיים ביקום הוא מימן הנמצא במגוון כוכבים, בענקי גזים ובריכוזים גדולים של גז בין כוכבי שמהווים את השלב הראשון בהתפתחות כוכבים. רוב המימן בגז הבין כוכבי הוא מולקולרי. מולקולות המימן נוצרות על גרגירי אבק בין-כוכבי.

באטמוספירת כדור הארץ נמצא מימן בריכוזים זעירים (חלקיק אחד מתוך מיליון). המקור הנפוץ ביותר למימן בכדור הארץ הוא מים (H₂O). מקורות אחרים הם חומרים אורגניים כמו פחם, גז טבעי ודלקי מאובנים אחרים. מתאן (CH₄) הוא מקור חשוב למימן.

תרכובות שכיחות של מימן הן:

• מים – H₂O
• מי חמצן – H₂O₂
• מי סודה – H₂CO₃
• חומצה גופרתית – H₂SO₄

מימן מגיב עם חמצן לקבלת מים בתגובה הבאה:

$\ 2H_{2(g)}+O_{2(g)}\rightarrow 2H_{2}O_{(l)}$

הפקת מימן

ישנן מספר דרכים להפקת מימן, בהן פירוק פחמימות בעזרת חום, אלקטרוליזה של מים, תגובה בין בסיס חזק בתמיסה מימית לבין אלומיניום ועוד.

ניתן להפיק מימן בצורה מסחרית ממתאן וקיטור בטמפרטורות גבוהות (700–1100 מעלות צלזיוס) כך:

$\ CH_{4(g)}+H_{2}O_{(g)}\rightarrow CO_{(g)}+3H_{2(g)}$

ניתן להפיק מימן נוסף בעזרת הפחמן החד-חמצני שנוצר בעזרת קיטור כך:

$\ CO_{(g)}+H_{2}O_{(g)}\rightarrow CO_{2(g)}+H_{2(g)}$

מימן נוצר בתגובה של תמיסה חומצית עם מתכת, ולדוגמה, בתגובה בין תמיסה חומצית לבין מגנזיום:

$\ 2H_{3}O_{(aq)}^{+}+Mg_{(s)}\rightarrow Mg_{(aq)}^{+2}+2H_{2}O_{(l)}+H_{2(g)}$

מימן נוצר גם בתגובה בין מתכת אלקלית לבין מים (או כוהל), ולדוגמה, בתגובה בין נתרן למים:

$\ 2Na_{(s)}+2H_{2}O_{(l)}\rightarrow 2Na_{(aq)}^{+}+2OH_{(aq)}^{-}+H_{2}(g)$

מימן נוצר גם לאחר תגובת חיזור של פרוטונים, לדוגמה חיזור פרוטוני מימן:

${\ce {2H+ + 2e- -> H2}}$

ניתן להפיק "מימן ירוק" על ידי שימוש באנרגיה מתחדשת כמו רוח או שמש להפרדה וזיקוק של אטומי המימן במים. זאת בניגוד לייצור מימן מדלקי מאובנים, המכונה "מימן אפור", או "מימן כחול", המיוצר כשהפליטות של דלקי המאובנים נאספות והמימן מחולצות מהן.

ראו גם

• אטום המימן
• הטבלה המחזורית
• גז הסינתיזה
• תהליך כלור-אלקלי
• הידרוקסיד
• הידרוניום

קישורים חיצוניים

• מידע כללי על מימן, באתר המחלקת להוראת המדעים במכון ויצמן למדע
• דלק מימן, באתר "הידען"
• מגוון נושאים על מימן, באתר הספרייה הווירטואלית של מטח
• המוציא דלק מן המים, 1 בדצמבר 1995, מכון ויצמן
• דלק חלופי מבוסס חנקן לאחסון כימי בר-קיימא של מימן, כתב העת אקולוגיה וסביבה, אוקטובר 2015
• ישי אילני, האם טכנולוגיות מבוססות מימן הן הדבר הבא?, באתר "דיומא", 13 בינואר 2021
• מימן, דף שער בספרייה הלאומית
• אינדקס תכונות המימן, באתר Webelements (באנגלית)
• מימן, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)